Java编程思想第4版[中文版](PDF格式)-第17部分

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有元素的访问方式；一个链接列表则用于保证所有元素的插入统一。所以我们能根据自己的需要选择适当的　

类型。其中包括集、队列、散列表、树、堆栈等等。　　

所有集合都提供了相应的读写功能。将某样东西置入集合时，采用的方式是十分明显的。有一个叫作“推”　

　（Push　）、“添加”（Add）或其他类似名字的函数用于做这件事情。但将数据从集合中取出的时候，方式却　

并不总是那么明显。如果是一个数组形式的实体，比如一个矢量（Vector），那么也许能用索引运算符或函　

数。但在许多情况下，这样做往往会无功而返。此外，单选定函数的功能是非常有限的。如果想对集合中的　

一系列元素进行操纵或比较，而不是仅仅面向一个，这时又该怎么办呢？　　

办法就是使用一个“继续器”（Iterator），它属于一种对象，负责选择集合内的元素，并把它们提供给继　

承器的用户。作为一个类，它也提供了一级抽象。利用这一级抽象，可将集合细节与用于访问那个集合的代　

码隔离开。通过继承器的作用，集合被抽象成一个简单的序列。继承器允许我们遍历那个序列，同时毋需关　

心基础结构是什么——换言之，不管它是一个矢量、一个链接列表、一个堆栈，还是其他什么东西。这样一　

来，我们就可以灵活地改变基础数据，不会对程序里的代码造成干扰。Java　最开始（在　1。0和　1。1版中）提　

供的是一个标准继承器，名为　Enumeration　（枚举），为它的所有集合类提供服务。Java　1。2　新增一个更复　

杂的集合库，其中包含了一个名为　Iterator　的继承器，可以做比老式的Enumeration　更多的事情。　　

从设计角度出发，我们需要的是一个全功能的序列。通过对它的操纵，应该能解决自己的问题。如果一种类　

型的序列即可满足我们的所有要求，那么完全没有必要再换用不同的类型。有两方面的原因促使我们需要对　

集合作出选择。首先，集合提供了不同的接口类型以及外部行为。堆栈的接口与行为与队列的不同，而队列　

的接口与行为又与一个集（Set）或列表的不同。利用这个特征，我们解决问题时便有更大的灵活性。　　

其次，不同的集合在进行特定操作时往往有不同的效率。最好的例子便是矢量（Vector）和列表（List　）的　

区别。它们都属于简单的序列，拥有完全一致的接口和外部行为。但在执行一些特定的任务时，需要的开销　

却是完全不同的。对矢量内的元素进行的随机访问（存取）是一种常时操作；无论我们选择的选择是什么，　

需要的时间量都是相同的。但在一个链接列表中，若想到处移动，并随机挑选一个元素，就需付出“惨重”　

的代价。而且假设某个元素位于列表较远的地方，找到它所需的时间也会长许多。但在另一方面，如果想在　

序列中部插入一个元素，用列表就比用矢量划算得多。这些以及其他操作都有不同的执行效率，具体取决于　

序列的基础结构是什么。在设计阶段，我们可以先从一个列表开始。最后调整性能的时候，再根据情况把它　

换成矢量。由于抽象是通过继承器进行的，所以能在两者方便地切换，对代码的影响则显得微不足道。　　

最后，记住集合只是一个用来放置对象的储藏所。如果那个储藏所能满足我们的所有需要，就完全没必要关　

心它具体是如何实现的（这是大多数类型对象的一个基本概念）。如果在一个编程环境中工作，它由于其他　

因素（比如在Windows　下运行，或者由垃圾收集器带来了开销）产生了内在的开销，那么矢量和链接列表之　

间在系统开销上的差异就或许不是一个大问题。我们可能只需要一种类型的序列。甚至可以想象有一个“完　

美”的集合抽象，它能根据自己的使用方式自动改变基层的实现方式。　　



1。7。2　单根结构　　



在面向对象的程序设计中，由于C＋＋的引入而显得尤为突出的一个问题是：所有类最终是否都应从单独一个　

基础类继承。在Java　中（与其他几乎所有OOP　语言一样），对这个问题的答案都是肯定的，而且这个终级基　

础类的名字很简单，就是一个“Object”。这种“单根结构”具有许多方面的优点。　　

单根结构中的所有对象都有一个通用接口，所以它们最终都属于相同的类型。另一种方案（就象　C＋＋那样）　

是我们不能保证所有东西都属于相同的基本类型。从向后兼容的角度看，这一方案可与C　模型更好地配合，　

而且可以认为它的限制更少一些。但假期我们想进行纯粹的面向对象编程，那么必须构建自己的结构，以期　

获得与内建到其他　OOP　语言里的同样的便利。需添加我们要用到的各种新类库，还要使用另一些不兼容的接　

口。理所当然地，这也需要付出额外的精力使新接口与自己的设计方案配合（可能还需要多重继承）。为得　

到C＋＋额外的“灵活性”，付出这样的代价值得吗？当然，如果真的需要——如果早已是　C　专家，如果对C　

有难舍的情结——那么就真的很值得。但假如你是一名新手，首次接触这类设计，象Java　那样的替换方案也　

许会更省事一些。　　

单根结构中的所有对象（比如所有　Java　对象）都可以保证拥有一些特定的功能。在自己的系统中，我们知道　

对每个对象都能进行一些基本操作。一个单根结构，加上所有对象都在内存堆中创建，可以极大简化参数的　

传递（这在　C＋＋里是一个复杂的概念）。　　

利用单根结构，我们可以更方便地实现一个垃圾收集器。与此有关的必要支持可安装于基础类中，而垃圾收　

集器可将适当的消息发给系统内的任何对象。如果没有这种单根结构，而且系统通过一个句柄来操纵对象，　

那么实现垃圾收集器的途径会有很大的不同，而且会面临许多障碍。　　

由于运行期的类型信息肯定存在于所有对象中，所以永远不会遇到判断不出一个对象的类型的情况。这对系　



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统级的操作来说显得特别重要，比如违例控制；而且也能在程序设计时获得更大的灵活性。　　

但大家也可能产生疑问，既然你把好处说得这么天花乱坠，为什么C＋＋没有采用单根结构呢？事实上，这是　

早期在效率与控制上权衡的一种结果。单根结构会带来程序设计上的一些限制。而且更重要的是，它加大了　

新程序与原有C　代码兼容的难度。尽管这些限制仅在特定的场合会真的造成问题，但为了获得最大的灵活程　

度，C＋＋最终决定放弃采用单根结构这一做法。而　Java　不存在上述的问题，它是全新设计的一种语言，不必　

与现有的语言保持所谓的“向后兼容”。所以很自然地，与其他大多数面向对象的程序设计语言一样，单根　

结构在Java　的设计方案中很快就落实下来。　　



1。7。3　集合库与方便使用集合　　



由于集合是我们经常都要用到的一种工具，所以一个集合库是十分必要的，它应该可以方便地重复使用。这　

样一来，我们就可以方便地取用各种集合，将其插入自己的程序。Java　提供了这样的一个库，尽管它在Java　　

1。0和　1。1　中都显得非常有限（Java　1。2　的集合库则无疑是一个杰作）。　　

　　

1。　下溯造型与模板／通用性　　

为了使这些集合能够重复使用，或者“再生”，Java　提供了一种通用类型，以前曾把它叫作“Object”。单　

根结构意味着、所有东西归根结底都是一个对象”！所以容纳了Object　的一个集合实际可以容纳任何东西。　

这使我们对它的重复使用变得非常简便。　　

为使用这样的一个集合，只需添加指向它的对象句柄即可，以后可以通过句柄重新使用对象。但由于集合只　

能容纳Object，所以在我们向集合里添加对象句柄时，它会上溯造型成　Object，这样便丢失了它的身份或者　

标识信息。再次使用它的时候，会得到一个Object　句柄，而非指向我们早先置入的那个类型的句柄。所以怎　

样才能归还它的本来面貌，调用早先置入集合的那个对象的有用接口呢？　　

在这里，我们再次用到了造型（Cast　）。但这一次不是在分级结构中上溯造型成一种更“通用”的类型。而　

是下溯造型成一种更“特殊”的类型。这种造型方法叫作“下溯造型”（Downcasting）。举个例子来说，我　

们知道在上溯造型的时候，Circle　（圆）属于Shape　（几何形状）的一种类型，所以上溯造型是安全的。但　

我们不知道一个Object　到底是　Circle　还是Shape，所以很难保证下溯造型的安全进行，除非确切地知道自　

己要操作的是什么。　　

但这也不是绝对危险的，因为假如下溯造型成错误的东西，会得到我们称为“违例”（Exception）的一种运　

行期错误。我们稍后即会对此进行解释。但在从一个集合提取对象句柄时，必须用某种方式准确地记住它们　

是什么，以保证下溯造型的正确进行。　　

下溯造型和运行期检查都要求花额外的时间来运行程序，而且程序员必须付出额外的精力。既然如此，我们　

能不能创建一个“智能”集合，令其知道自己容纳的类型呢？这样做可消除下溯造型的必要以及潜在的错　

误。答案是肯定的，我们可以采用“参数化类型”，它们是编译器能自动定制的类，可与特定的类型配合。　

例如，通过使用一个参数化集合，编译器可对那个集合进行定制，使其只接受Shape，而且只提取Shape。　　

参数化类型是C＋＋一个重要的组成部分，这部分是C＋＋没有单根结构的缘故。在　C＋＋中，用于实现参数化类型　

的关键字是　template　（模板）。Java　目前尚未提供参数化类型，因为由于使用的是单根结构，所以使用它显　

得有些笨拙。但这并不能保证以后的版本不会实现，因为“generic”这个词已被Java　“保留到将来实现”　

　（在Ada　语言中，“generic”被用来实现它的模板）。Java　采取的这种关键字保留机制其实经常让人摸不　

着头脑，很难断定以后会发生什么事情。　　



1。7。4　清除时的困境：由谁负责清除？　　



每个对象都要求资源才能“生存”，其中最令人注目的资源是内存。如果不再需要使用一个对象，就必须将　

其清除，以便释放这些资源，以便其他对象使用。如果要解决的是非常简单的问题，如何清除对象这个问题　

并不显得很突出：我们创建对象，在需要的时候调用它，然后将其清除或者“破坏”。但在另一方面，我们　

平时遇到的问题往往要比这复杂得多。　　

举个例子来说，假设我们要设计一套系统，用它管理一个机场的空中交通（同样的模型也可能适于管理一个　

仓库的货柜、或者一套影带出租系统、或者宠物店的宠物房。这初看似乎十分简单：构造一个集合用来容纳　

飞机，然后创建一架新飞机，将其置入集合。对进入空中交通管制区的所有飞机都如此处理。至于清除，在　

一架飞机离开这个区域的时候把它简单地删去即可。　　

但事情并没有这么简单，可能还需要另一套系统来记录与飞机有关的数据。当然，和控制器的主要功能不　

同，这些数据的重要性可能一开始并不显露出来。例如，这条记录反映的可能是离开机场的所有小飞机的飞　

行计划。所以我们得到了由小飞机组成的另一个集合。一旦创建了一个飞机对象，如果它是一架小飞机，那　



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么也必须把它置入这个集合。然后在系统空闲时期，需对这个集合中的对象进行一些后台处理。　　

问题现在显得更复杂了：如何才能知道什么时间删除对象呢？用完对象后，系统的其他某些部分可能仍然要　

发挥作用。同样的问题也会在其他大量场合出现，而且在程序设计系统中（如C＋＋），在用完一个对象之后　

必须明确地将其删除，所以问题会变得异常复杂（注释⑥）。　　

　　

⑥：注意这一点只对内存堆里创建的对象成立（用　new　命令创建的）。但在另一方面，对这儿描述的问题以　

及其他所有常见的编程问题来说，都要求对象在内存堆里创建。　　

　　

在Java　中，垃圾收集器在设计时已考虑到了内存的释放问题（尽管这并不包括清除一个对象涉及到的其他方　

面）。垃圾收集器“知道”一个对象在什么时候不再使用，然后会自动释放那个对象占据的内存空间。采用　

这种方式，另外加上所有对象都从单个根类Object　继承的事实，而且由于我们只能在内存堆中以一种方式创　

建对象，所以Java　的编程要比　C＋＋的编程简单得多。我们只需要作出少量的抉择，即可克服原先存在的大量　

障碍。　　

　　

1。　垃圾收集器对效率及灵活性的影响　　

既然这是如此好的一种手段，为什么在C＋＋里没有得到充分的发挥呢？我们当然要为这种编程的方便性付出　

一定的代价，代价就是运行期的开销。正如早先提到的那样，在C＋＋中，我们可在堆栈中创建对象。在这种　

情况下，对象会得以自动清除（但不具有在运行期间随心所欲创建对象的灵活性）。在堆栈中创建对象是为　

对象分配存储空间最有效的一种方式，也是释放那些空间最有效的一种方式。在内存堆（Heap　）中创建对象　

可能要付出昂贵得多的代价。如果总是从同一个基础类继承，并使所有函数调用都具有“同质多形”特征，　

那么也不可避免地需要付出一定的代价。但垃圾收集器是一种特殊的问题，因为我们永远不能确定它什么时　

候启动或者要花多长的时间。这意味着在　Java　程序执行期间，存在着一种不连贯的因素。所以在某些特殊的　

场合，我们必须避免用它——比如在一个程序的执行必须保持稳定、连贯的时候（通常把它们叫作“实时程　

序”，尽管并不是所有实时编程问题都要这方面的要求——注释⑦）。　　

　　

⑦：根据本书一些技术性读者的反馈，有一个现成的实时　Java　系统（newmonics。）确实能够保证垃　

圾收集器的效能。　　

　　

C＋＋语言的设计者曾经向C　程序员发出请求（而且做得非常成功），不要希望在可以使用　C　的任何地方，向语　

言里加入可能对C＋＋的速度或使用造成影响的任何特性。这个目的达到了，但代价就是C＋＋的编程不可避免地　

复杂起来。Java　比C＋＋简单，但付出的代价是效率以及一定程度的灵活性。但对大多数程序设计问题来说，　

Java　无疑都应是我们的首选。　　



1。8　违例控制：解决错误　　



从最古老的程序设计语言开始，错误控制一直都是设计者们需要解决的一个大问题。由